X65管線鋼焊縫抗HIC性能分析

1、西安石油大學(xué)本科課程設(shè)計（論文）      本科課程設(shè)計（論文）       題 目： X65管線鋼抗HIC性能測試 學(xué)生姓名： 楊 樂 院（系）： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級： 材料物理0901 指導(dǎo)教師： 呂 祥 鴻 完成時間： 2012 年 9 月   材料物理專業(yè) 課程設(shè)計任務(wù)書題 目X65管線鋼焊縫抗HIC性能測試學(xué)生姓名楊樂學(xué)號200912020129專業(yè)班級材物0901設(shè)計內(nèi)容與要求包括：原始數(shù)據(jù)，技術(shù)參數(shù)，設(shè)計要求，說明書、圖紙、實物樣品的要求等1. 課程設(shè)

2、計內(nèi)容結(jié)合本課程設(shè)計題目，充分查閱書籍及國內(nèi)外文獻，了解相關(guān)研究背景、現(xiàn)狀及意義，并認真完成文獻綜述。按照課程設(shè)計內(nèi)容要求進行實驗工作，具體任務(wù)如下：（1）查閱相關(guān)書籍、文獻，了解X65管用鋼的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；（2）熟悉氫致開裂（HIC）試樣的制備方法；（3）熟悉HIC的試驗過程及步驟；（4）進行X65管用鋼的HIC試驗；（5）對實驗結(jié)果進行分析，按照本科專業(yè)課程設(shè)計報告的撰寫要求認真撰寫課程設(shè)計報告，并進行答辯。2. 課程設(shè)計的基本要求（1）遵守西安石油大學(xué)本科專業(yè)課程設(shè)計工作管理規(guī)定和所在單位的各項規(guī)章制度，遵守紀律，注意安全；（2）按照本科專業(yè)課程設(shè)計中的有關(guān)規(guī)定完成課程設(shè)計工作；（3）

3、按照西安石油大學(xué)本科專業(yè)課程設(shè)計報告撰寫規(guī)范進行課程設(shè)計報告的撰寫工作。起止時間2012 年 9 月 9 日 至 2012 年 9 月 23 日指導(dǎo)教師簽名年 月 日系（教研室）主任簽名年 月 日學(xué)生簽名年 月 日 X65管線鋼焊縫抗HIC性能測試【摘要】：根據(jù)焊接接頭性質(zhì)、環(huán)境特性和其他變量，濕硫化氫環(huán)境中因焊接接頭腐蝕所產(chǎn)生的氫的吸收會產(chǎn)生不同的影響。在壓力容器、壓力管道中觀測到的一個有害作用是裂紋沿鋼材軋制方向發(fā)展。平面裂紋傾向于與相鄰的平面裂紋相連，形成穿過壁厚的臺階狀裂紋。裂紋會減少有效壁厚,直至壓力容器、管道變得過應(yīng)力而開裂。進行抗HIC試驗,結(jié)合強韌

4、性、化學(xué)成分及金相組織等因素對焊接接頭HIC性能進行了分析。 【關(guān)鍵詞】：管線鋼；焊接接頭；H2S；HIC                 - 12 -目錄1 緒論- 1 -1.1 選題意義- 1 -1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀- 1 -2 實驗原理及內(nèi)容- 3 -2.1 氫致開裂原理- 3 -2.2 實驗材料與設(shè)備- 3 -2.2.1 試劑- 3 -2.2.2 試驗儀器- 4 -2.2.3 試樣X65管線鋼焊縫- 4 -

5、2.3 實驗方法- 4 -2.3.1 試樣的浸泡- 4 -2.3.2 凈化和H2S 的引入- 5 -2.3.3 pH值測定- 5 -2.3.4 試驗持續(xù)時間- 6 -2.3.5 試驗溫度- 6 -2.4 實驗步驟- 6 -2.5 評定試樣要求- 7 -3 試驗結(jié)果分析- 8 -3.1 氫致開裂實驗結(jié)果- 8 -3.2 氫致開裂實驗結(jié)果分析- 9 -3.3 氫致開裂實驗結(jié)果討論- 9 -4 結(jié)論- 10 -附錄A處理毒性物質(zhì)H2S 時的安全考慮- 11 -附錄B碘滴定測定試驗溶液中硫化氫濃度- 11 -參考文獻- 12 -1 緒論1.1 選題意義隨著我國石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展和“西氣東輸”工程的

6、進行，輸送的天然氣壓力愈來愈大，管線鋼強度也越來越高，因此，對輸送管線鋼的服役安全性要求也越來越苛刻。我國氣田中硫化氫（H2S）含量較高，H2S通過化學(xué)反應(yīng)，極易導(dǎo)致輸送管體產(chǎn)生氫誘發(fā)裂紋（Hydrogen Induced Cracking簡稱HIC）【1】。近年來，濕H2S環(huán)境下引起壓力容器及管道的腐蝕、氫致開裂(HIC)、H2S應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)等事故率有不斷上升的趨勢,濕硫化氫環(huán)境造成設(shè)備破環(huán)帶來的損失是巨大的,也是當前采油、煉油、化工、煤氣生產(chǎn)中最為突出的腐蝕問題和技術(shù)難題之一。硫化氫腐蝕廣泛存在于油氣開采運輸、石化加工生產(chǎn)中,是造成眾多事故的重要破壞形式之一。油氣管線在遭受H2

7、S腐蝕時，可能發(fā)生均勻腐蝕、坑蝕、氫鼓泡、氫誘發(fā)階梯裂紋，氫脆及硫化物應(yīng)力腐蝕開裂等，且各種腐蝕形式互相促進，最終導(dǎo)致管材開裂并引發(fā)大量惡性事故。因此，為最大程度地抑制H2S腐蝕，減少事故的發(fā)生，對HIC的特點、機理、影響因素及防護進行分析總結(jié)是有重要意義的。氫致開裂是鋼中存在氫導(dǎo)致鋼的延展性下降的結(jié)果。氫致開裂漸漸產(chǎn)生擊穿強度以下的低應(yīng)力，這是造成鋼材的使用范圍縮小的原因之一。由于是突然發(fā)生，有時會引起大事故，石油工業(yè)中使用的油井用鋼管、輸送管線，是鋼材使用量最多的產(chǎn)品，都存在著氫蝕致脆問題。油、氣生產(chǎn)中使用的鋼管大多暴露在濕的硫化氫(H2S)環(huán)境中，會有大量的氫侵入到鋼中。不銹鋼中Cr是最

8、有效提高耐點蝕性能的合金元素，因而探討和研究低鉻鋼的抗SSC和HIC行為對于海洋油、氣的安全開采和輸送以及今后在實踐中采取相應(yīng)措施減少或避免災(zāi)害性事故的發(fā)生有著十分積極的意義。本次研究的目的是驗證X65鋼在濕硫化氫環(huán)境下的抗氫致開裂（HIC）性能。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自從20世紀50年代人們意識到是由于硫化物應(yīng)力腐蝕開裂導(dǎo)致了諸多油田管道生斷裂以來，材料的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂問題已受到越來越多的重視，不少學(xué)者對其進行了研究。輸氣管道的服役條件多為潮濕環(huán)境，輸送介質(zhì)含H2S、酸性物質(zhì)。腐蝕是影響管道系統(tǒng)可靠性及使用壽命的關(guān)鍵因素，其中H2S應(yīng)力腐蝕是管線鋼腐蝕的重要形式之一。它不僅造成因穿孔而引

9、起的油、氣、水等輸送介質(zhì)的泄漏 ，而且往往會造成重大的經(jīng)濟損失、油氣輸送中斷、人員傷亡以及環(huán)境污染。隨著石油、天然氣需求的不斷增長,油、氣井的開采條件日趨惡化、復(fù)雜,一些H2S含量高的腐蝕環(huán)境嚴酷的油氣田的相繼開發(fā),迫切需要鋼管制造業(yè)開發(fā)與生產(chǎn)適應(yīng)這類酸性服役條件下的石油天然氣輸送用管。經(jīng)過不斷地改進和完善工藝技術(shù),對影響鋼管的氫致開裂(HIC)及硫化物應(yīng)力開裂(SSC)的各種因素進行了反復(fù)地實驗和摸索論證,成功地開發(fā)出冷軋(拔) X65NCS鋼管。目前,我國正大力開發(fā)和利用海洋石油、天然氣資源,這些油氣礦藏均面臨著含水量提高和腐蝕性氣體(如H2S)增強的局面,而X65、X70、X80、P11

10、0、L245等鋼是油、氣采輸過程中經(jīng)常使用的管線鋼，輸氣管道的服役條件多為潮濕環(huán)境,輸送介質(zhì)含H2S、酸性物質(zhì)較多。國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)進行了相應(yīng)環(huán)境下的模擬實驗，也得到了很多的實驗結(jié)果，鉻元素在鋼中的存在有抑制SSC和HIC的能力。為了研究X65管線鋼焊接接頭的抗開裂性能和母材的止裂性能，對接頭的金相組織進行了觀察，并且進行了接頭各區(qū)域裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗和母材的落錘撕裂試驗(DWTT).試驗結(jié)果表明：X65鋼焊接接頭焊縫和母材相比，組織粗大且不均勻，其沖擊韌度和斷裂韌度值均明顯低于母材；X65鋼管材對應(yīng)剪切面積為40%的溫度約為-35。X65鋼母材的抗開裂性能明顯優(yōu)于焊縫，且具有良

11、好的止裂性能【2】。2 實驗原理及內(nèi)容2.1 氫致開裂原理氫致開裂機理又稱氫脆機理，是應(yīng)力腐蝕斷裂的第二種機理。氫致開裂機理在某些情況下，氫是有用元素。如氫能提高鈦及其合金的自擴散，穩(wěn)定相，從而提高熱塑性，改善熱加工性能。氫作為臨時合金元素，能改變+型鈦合金及金屬間化合物的組織結(jié)構(gòu)，從而大大改善其機械性能。盡管如此，氫進入材料后往往引起各種損傷。如過飽和氫冷卻時產(chǎn)生的鋼中白點、鋁合金中的亮片以及硅單晶中的氫沉淀，在某些金屬(如V，Nb，Ta，Ti，Zr，Hf，RE等)及其合金中形成脆性的氫化物相，高溫(T>200)高壓環(huán)境下的氫腐蝕，奧氏體鋼及合金中氫所誘發(fā)的馬氏體相變，原子氫擴散富集所

12、引起的塑性損失和滯后開裂。一般均把各種氫損傷統(tǒng)稱為氫脆【3】。 這種機理承認HIC必須首先有腐蝕，但是，純粹的電化學(xué)溶解，在很多情況下,既不易說明HIC速度，也難于解釋HIC的脆性斷口形貌。氫脆機理認為,蝕坑或裂紋內(nèi)形成閉塞電池，局部平衡使裂紋根部或蝕坑底部具備低的pH值，這是滿足陰極反應(yīng)放氫的必要條件。這種氫進入金屬所引起的氫脆,是HIC的主要原因。這種機理取決于氫能否進入金屬以及金屬是否有高度的氫脆敏感性。高強度鋼在水溶液中的HIC以及鈦合金在海水中的HIC是氫脆引起的。氫致開裂機理又可從三方面考慮：推動力理論?；瘜W(xué)反應(yīng)所形成的氣體(CH4)、H2O與沉淀反應(yīng)所析出的氫氣團和H2

13、氣的內(nèi)在應(yīng)力以及氫致馬氏體相變應(yīng)力，都可與外加的或殘余應(yīng)力疊加，引起開裂。阻力理論。氫引起的相變產(chǎn)物如馬氏體或氫化物，固溶氫引起的金屬結(jié)合能及表面能下降，都可降低氫致開裂阻力，促進開裂。過程理論。氫在裂紋尖端區(qū)多方向應(yīng)力梯度下的擴散和富集，表面膜對氫滲入和滲出的影響，氫在金屬內(nèi)部缺陷的陷入和躍出，氫對裂紋尖端塑性區(qū)的影響等，都是氫致開裂或氫脆的過程理論。上述的三種機理不是相互矛盾對立的，而是相輔相成的。對于具體的體系，應(yīng)從氫所造成的變化去確定起決定作用的機理。2.2 實驗材料與設(shè)備【4】2.2.1 試劑配制 ：溶液A的試劑應(yīng)為：凈化用氮氣、H2S 氣體、NaCl, CH3COOH及蒸餾或去離子

14、水。溶液B的試劑應(yīng)是：凈化用氮氣、H2S 氣體及合成海水。注：H2S毒性強，使用時必須注意（見附錄A）2.2.2 試驗儀器試驗可在任何足夠大的可容納試樣，包括凈化和引入H2S的密閉容器內(nèi)進行。任何試驗材料都不應(yīng)污染試驗環(huán)境或與試驗環(huán)境發(fā)生反應(yīng)。圖1為典型試驗系統(tǒng)示意圖。圖1 典型試驗系統(tǒng)示意圖2.2.3 試樣X65管線鋼焊縫 規(guī)格：試驗樣品尺寸應(yīng)為：長：100±1 mm ；寬：20±1 mm，如圖2。管壁小于等于30 mm試樣厚度應(yīng)為管道全部壁厚。如果管道壁厚大于30mm，試樣厚度應(yīng)為管道壁厚或應(yīng)是所述最大厚度限制于30mm。每一個表面最多允許去除1mm（內(nèi)表面和外表面）。

15、試樣坯料不應(yīng)找平。圖2 HIC試樣尺寸示意圖2.3 實驗方法2.3.1 試樣的浸泡試樣應(yīng)放置在試驗容器中,寬面直立，用最小直徑為6mm的玻璃或非金屬圓棒將試樣與容器及其它試樣隔開，試樣的縱向軸線可垂直或水平。（見圖3）。試驗溶液體積與試樣總表面積的最小比率為3 mL/2cm。只要維持試驗溶液與試樣表面積給定比率不變，一次放于試驗容器中完全能浸泡、互相不接觸的試樣就可盡可能的多。若使用溶液A , 試驗溶液應(yīng)在單獨的密閉容器中制備，在試驗溶液輸送到試驗容器前，每公升試驗溶劑要用流速為100 mL/分的氮氣進行凈化處理最少1個小時。試驗溶液應(yīng)由含5.0 % NaCl（wt）和 0.50 %（wt）C

16、H3COOH 的蒸餾或去離子水構(gòu)成,即：50.0 g NaCl 和5.00 g 的CH3COOH 應(yīng)溶解在每945g蒸餾或去離子水中。初始pH值為2.7 ±0.1， 所有加入試驗溶液試劑的數(shù)量誤差不能超過給定量的1.0% 。圖3 試驗容器內(nèi)試樣的排列方向 若使用溶液B, 試驗容器內(nèi)應(yīng)充滿合成海水，并測定和記錄pH值，合成海水的pH值應(yīng)在8.1 8.3之間，以保證試驗是有效的。凈化及通H2S飽和前，試驗容器應(yīng)是密閉的。2.3.2 凈化和H2S 的引入（1）應(yīng)在試驗容器底部引入凈化氮氣和H2S氣體。 （2）密閉容器應(yīng)用氮氣進行凈化，凈化時間至少一小時。試驗容器被充滿后，應(yīng)立即進行凈化處理

17、，流速至少為100 mL /分每升試驗溶液。（3）凈化后，H2S氣體與試驗溶劑混合，混合速率應(yīng)至少為200 mL/分每升試驗溶液，持續(xù)時間為60分鐘。然后，必須保持H2S氣體正壓。用碘滴定法測定試驗溶液中H2S的濃度，H2S最小濃度應(yīng)為2300 ppm 。公認的碘滴定步驟見附錄B。.2.3.3 pH值測定試驗初期pH值：若使用溶液A , 試驗開始時的pH值應(yīng)在H2S達到飽和狀態(tài)后立即測量，其值應(yīng)不超過3.3。若使用溶液B，H2S 達到飽和狀態(tài)后，應(yīng)立即測量pH值，其值應(yīng)在4.8-5.4之間。試驗終止時pH值：試驗終止時，應(yīng)測定溶液的pH值。對溶液A，有效試驗的pH值應(yīng)不超過4.0。對溶液B，有

18、效試驗的pH值應(yīng)在4.85.4之間。2.3.4 試驗持續(xù)時間試驗持續(xù)時間應(yīng)為96小時。初期60分鐘引入H2S后，應(yīng)立即開始計算試驗時間。2.3.5 試驗溫度試驗溶液的溫度應(yīng)為25±3 (77±5)。2.4 實驗步驟 1) 試樣的6個表面應(yīng)該水磨或干磨，最后用320號砂紙拋光，使達到320粒度的粗糙度，所有試樣應(yīng)該用三氯乙烷或類似的脫脂溶液脫脂，之后用丙酮清洗。2) 配制實驗溶液，測試并記錄實驗的pH值。3) 清洗后的試樣裝夾在專門制作的有機玻璃試樣架上，要相互隔離；（如圖3所示）然后放入實驗容器中將溶液注入實驗容器之后將容器密封，以每分鐘每升溶液100ml的速度通入氮氣2h

19、，其目的是置換溶液中溶解的氧，減少試樣表面被氧化，排除氧化作用對滲氫的影響。4) 關(guān)閉氮氣，以每分鐘每升溶液200ml的速度通入硫化氫1h，使實驗溶液迅速達到飽和狀態(tài)，然后將H2S通氣速度降為0.12升/分，持續(xù)96h維持溶液的飽和濃度。5) 通氣完畢，先用氮氣置換，然后取出試樣，先用自來水反復(fù)沖洗，并將試樣表面蛋黃色腐蝕產(chǎn)物打磨干凈，再用蒸餾水清洗，用冷風(fēng)吹干。如有氫鼓泡，用照相機拍下1倍照片。6) 按照標準實驗方法，將浸泡后的試樣的檢查采用線切割的方法剖開，將剖開面拋光后，采用大型金相顯微鏡觀測每個試樣上的裂紋分布，按照（圖4）所示的方法測量裂紋的大小。然后用裂紋敏感率(CSR)、裂紋長度

20、率(CLR)及裂紋厚度率(CTR)3個參數(shù)作為評價材料抗氫致開裂 (HIC)性能優(yōu)劣的指標。計算表達式如下: 裂紋敏感率： （式1） 裂紋長度比： （式2） 裂紋厚度比： （式3）式中：a- 裂紋長度；b- 裂紋厚度；W-試樣寬度；T-試樣厚度。圖4 試樣尺寸和裂紋的CSR，CLR和CTR的計算2.5 評定試樣要求每個試樣部分都要拋光成金相和侵蝕，如果需要的話，為的是能裂紋能從小的夾雜物、紋理、擦痕、不連續(xù)性中區(qū)分。只要輕度的侵蝕。大量的金相準備不要弄臟金屬表面，以防止重要的裂紋變成隱蔽的。因此，在最終金相拋光前，所有的檢測面都要經(jīng)過濕磁粉檢測和宏觀腐蝕。二者選其一，在最終拋光后要做準備，對過

21、程的詳細描述以證明結(jié)果時清晰可見的裂紋。要測量裂紋長度（如圖4所示），在測量長度、厚度時，裂紋分離度小于0.5mm時，要考慮單層裂化。所有在放大到100倍可確認為裂紋可見的都包括在計算范圍內(nèi)。除內(nèi)表面和外表面處于完全不超過1.0mm的試樣（也許需要在高放大倍數(shù)下檢測一些部分以區(qū)分裂紋、夾雜物、側(cè)表面的凹坑、不連續(xù)性）。抗氫致開裂(HIC)的實驗值應(yīng)按照NACETM0284-2003的驗收標準進行，下列最大值為每個試樣的3個截面的平均值:裂紋敏感率(CSR)2%、裂紋長度率 (CLR)15%以及裂紋厚度率(CTR)5% 。3 試驗結(jié)果分析3.1 氫致開裂實驗結(jié)果圖5為試樣在標準試驗條件下，經(jīng)過9

22、6小時后，簡單的清理了試樣后的宏觀形貌圖。實驗結(jié)果顯示試樣表面未發(fā)生開裂，且試樣表面沒有氫鼓泡。將每個試樣沿長度方向切為四個樣品，切取方式參考NACE TM0284-2003標準進行，每個試樣觀察三個截面，每個部分都要拋光成金相和侵蝕，如果需要的話，為的是裂紋能從小的夾雜物、紋理、擦痕、不連續(xù)性中區(qū)分。只要輕度的侵蝕。大量的金相準備不要弄臟金屬表面，以防止重要的裂紋變成隱蔽的。因此，在最終金相拋光前，所有的檢測面都要經(jīng)過濕磁粉檢測和宏觀腐蝕。將制備后的試樣置于金相顯微鏡下觀察（放大倍數(shù)為100倍），對9個截面所出現(xiàn)的裂紋長度進行測量，沒有一個試樣出現(xiàn)裂紋如圖6所示。因此，裂紋敏感率（CSR）、

23、裂紋長度率（CLR）和裂紋厚度率（CTR）均為0。結(jié)果證明L245鋼通過了NACETM0284-2003標準的驗證，有抑制氫致開裂的能力。 圖5 宏觀形貌圖圖6 金相顯微圖片（100倍）3.2 氫致開裂實驗結(jié)果分析 氫致開裂原理分析：當H2S與液相水或含水物流共存時，就形成濕H2S腐蝕環(huán)境。鋼在該環(huán)境中的腐蝕反應(yīng)過程可以表示如下：H2SH+HS- (式4)H+S2 - (式5) 陽極反應(yīng) FeFe+2e (式6)Fe2+HS-FeS+H+ (式7)或 Fe2+ S2-FeS (式8)陰極反應(yīng)2H+2e2HH2(逸出)2H(滲入金屬內(nèi)部) (式9)總反應(yīng)Fe+H2SFeS+H2（逸出）2H(滲入

24、金屬內(nèi)部) (式10)從反應(yīng)過程可知，硫化氫在水溶液中離解出的氫離子，從鋼表面得到電子后還原成氫原子。氫原子之間有較大的親和力，易結(jié)合形成氫分子排出。然而，介質(zhì)中的硫化物、氰化物等削弱這種親和力，部分抑制了氫分子的形成，這樣以來原子半徑極小的氫原子就很容易滲入鋼的內(nèi)部并溶入晶格中。固溶于晶格中的氫有很強的游離性，在一定條件下將導(dǎo)致材料的脆化和氫損傷。因此，濕H2S環(huán)境除了可以造成過程設(shè)備的均勻腐蝕外更重要的是引起一系列與鋼材滲氫有關(guān)的腐蝕開裂。3.3 氫致開裂實驗結(jié)果討論試驗的結(jié)果可能出現(xiàn)許多，這里只簡單的介紹幾種：（1） 試驗結(jié)束后，試樣金相顯微鏡下觀察（放大倍數(shù)為100倍）沒有裂紋，但是出

25、現(xiàn)大量氫鼓泡，雖然不算試樣失效，但要改善冶金工藝，可能是雜質(zhì)、氣孔和非金屬夾渣過多。（2） 試驗結(jié)束后，試樣金相顯微鏡下觀察（放大倍數(shù)為100倍）出現(xiàn)很多在允許范圍內(nèi)的裂紋，雖然不算試樣失效，但要找到其他原因，如焊接工藝、成分分析等，以改善這種情況。（3） 試驗結(jié)束后，試樣金相顯微鏡下觀察（放大倍數(shù)為100倍）出現(xiàn)很多在接近允許范圍內(nèi)（距離表面1mm內(nèi)）的裂紋，這種情況，應(yīng)該算是失效。（4） 試驗結(jié)束后，試樣金相顯微鏡下觀察（放大倍數(shù)為100倍）沒出現(xiàn)氫鼓泡，也沒出現(xiàn)裂紋，但是出現(xiàn)了很多小黑點。這種情況雖然不算失效，但也要引起重視，這些小黑點為蝕坑。（5） 試驗結(jié)束后，試樣金相顯微鏡下觀察（放大倍數(shù)為100倍）沒出現(xiàn)氫鼓泡，也沒出現(xiàn)裂紋。4 結(jié)論在NACE TM0284-2003標準實驗環(huán)境下，進行試驗對X65鋼的焊縫進行研究，得到了以下的結(jié)論：在NA